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第12讲　第一课时　捕获光能的色素和结构、光合作用原理的探索
素养目标
考点一 捕获光能的色素
夯实基础 精研教材
1.绿叶中色素的提取和分离
(1)实验原理
有机溶剂无水乙醇
无水乙醇
溶解度
溶解度高
层析液
(2)实验步骤
防止色素被破坏
研磨充分
色素
扩散均匀
分离出的色素带平整不重叠
清晰
(3)实验结果分析
橙黄色
色素种类
色素含量
溶解度
2.叶绿体色素的吸收光谱图
由图可以看出:
可见光
红光和蓝紫光
蓝紫光
教材深挖
1.(必修1 P97问题探讨)有的植物工厂在种植蔬菜等植物时,完全依靠LED灯等人工光源,其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。选择这些光源的原因是________________________________________________________
　 。2.(必修1 P101拓展应用1)海洋中绿藻、褐藻、红藻在海洋中的垂直分布大致依次是浅层、中层、深层,从水层透光与植物光能捕获两个层面进行解释,原因是____________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
红色光源、蓝色光源发出的分别是红光、蓝光,光合色素对红光、蓝光吸收最多。白光是复合光,含有不同波长的光,光合色素能吸收更多的光
藻类本身的颜色是反射出来的光所形成的,即红藻反射出红光,绿藻反射出绿光,褐藻反射出黄光。水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多,即到达深水层的光线是相对富含短波长的光,因此,吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层,吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水的深层
易错排查
1.用月季花瓣大量提取叶绿素。(2024·北京卷)(　　)
2.叶绿体中的色素在层析液中的溶解度越高,随层析液在滤纸上扩散得越慢。(2023·全国乙卷)(　　)
3.纸层析法分离叶绿体色素时,以多种有机溶剂的混合物作为层析液。(　)
4.依据吸收光谱的差异对光合色素进行纸层析分离。(　　)
5.叶绿素主要吸收蓝紫光和红光,对其他波段的可见光并非不吸收,只是吸收量较少。(　　)
×
×
√
×
√
思维探究 考教衔接
如图为叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱(暗带部分表示被吸收的光线),思考回答下列问题。
(1)从叶绿素吸收光谱图可知:叶绿素a在红光部分的吸收带较叶绿素b偏向　　　(填“长”或“短”)波方面,且吸收光谱带比叶绿素b宽,叶绿素b在蓝紫光部分的吸收光谱带比叶绿素a　　　　(填“宽”或“窄”)。
(2)研究表明:在漫射光环境中(比如荫蔽条件下),光线以较短波长的光占优势。请预测:和上层叶片相比,同一植物底层叶片中,叶绿素a/b　　　　,弱光下的吸收能力　　　　,有利于提高植株的捕光能力,是对弱光环境的一种适应。
长
宽
降低
增强
考法练透 素养提升
考法一　绿叶中色素的提取和分离
1.(2024·广东卷)银杏是我国特有的珍稀植物,其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用纸层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,下列实验操作正确的是(　　)
A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨
B.研磨时用水补充损失的提取液
C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析
D.用过的层析液直接倒入下水道
C
解析 叶绿体中色素提取的原理是有机溶剂能够溶解叶绿体中的色素;色素分离的原理是在层析液中,叶绿体中不同色素的溶解度不同,溶解度高的随层析液在滤纸条上扩散得快,溶解度低的随层析液在滤纸条上扩散得慢。本实验的目的是探究银杏绿叶和黄叶的色素差别,不能将新鲜程度不同的叶片混合研磨,A项错误;叶绿体中的色素能溶于有机溶剂,而难溶于水,加水不能起到补充损失的提取液的作用,B项错误;由于滤纸条之间互不影响,且所用层析液相同,故两组滤纸条可以置于同一烧杯中层析,C项正确;层析液中含有石油醚、丙酮和苯等有毒物质,故用过的层析液不能直接倒入下水道,D项错误。
2.(2024·甘肃甘南模拟)某同学在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时,为了确定无水乙醇、CaCO3和SiO2的作用,进行了4组实验来验证,4组实验结果如图所示,第④组是进行了正确操作的对照组。下列针对实验结果的相关分析,不正确的是(　　)
A.①可能是由于未加CaCO3而得到的实验结果
B.②可能是由于用水取代了无水乙醇而得到的实验结果
C.③可能是由于未加SiO2而得到的实验结果
D.①可能是滤液细线触及层析液而得到的实验结果
D
解析 ①中叶绿素含量明显低于正常值,可能是由于未加CaCO3,部分叶绿素被破坏,A项正确;光合色素不溶于水,但能溶于有机溶剂无水乙醇,②中没有色素带,可能是由于用水取代了无水乙醇不能获得色素,B项正确;③中所有色素带都偏窄,可能是由于未加SiO2,研磨不充分,提取色素较少,C项正确;①有色素带,不可能是滤液细线触及层析液而得到的实验结果,①类胡萝卜素含量多,可能使用的叶片是发黄的叶片或者不是新鲜的叶片,D项错误。
考法二　光合色素的种类与功能
3.不同环境条件下,叶绿素a和叶绿素b之间可以相互转化,这种转化称为“叶绿素循环”。如图为叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱。在遮光条件下,以蓝紫光为主的
散光占利用光能百分比增加,
叶绿素a/叶绿素b的值会降低。下列叙述错误的是(　　)
A.可以使用无水乙醇提取绿叶中的色素
B.①表示类胡萝卜素,主要吸收蓝紫光
C.②表示叶绿素a,遮光条件下部分叶绿素a转化成叶绿素b
D.③表示叶绿素a,强光条件下部分叶绿素b转化成叶绿素a
C
解析 色素属于有机物,易溶于有机溶剂无水乙醇,可以使用无水乙醇提取绿叶中的色素,A项正确;根据吸收光谱,①只吸收蓝紫光,属于类胡萝卜素,B项正确;根据吸收光谱,曲线③表示叶绿素a,②表示叶绿素b,遮光条件下部分叶绿素a转化成叶绿素b,叶绿素a/叶绿素b的值会降低,强光条件下部分叶绿素b转化成叶绿素a,C项错误,D项正确。
考点二 叶绿体的结构与光合作用的探索历程
夯实基础 精研教材
1.叶绿体的结构适于进行光合作用
囊状结构
光合色素
光反应
暗反应
2.探索光合作用原理的部分实验
叶绿体
叶绿体
O2　
水
ATP
二氧化碳
教材深挖
1.(必修1 P100~101思考·讨论)下面是恩格尔曼的第二个实验示意图,若用透过三棱镜的光先通过叶绿体色素提取液,再照射到载有水绵和需氧细菌的临时装片上,一段时间后,需氧细菌的分布特点是 　。
三棱镜将光分为七色光,叶绿体色素提取液主要吸收红光和蓝紫光,故先透过三棱镜,再通过叶绿体色素提取液后照射到含有水绵和需氧细菌的临时装片上的光中红光和蓝紫光较弱,水绵不同部位的光合作用强度相差不大,产生氧气的量大致相同,因此水绵周围需氧细菌分布无显著差别
2.(必修1 P102~103思考·讨论)希尔的实验说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应,请说明理由: 　。
水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的,没有碳参与反应,而糖类的合成需要碳的参与
易错排查
1.生物光合作用的场所不一定是叶绿体,没有叶绿体的生物也可以是自养型生物。(　　)
2.叶绿体中的色素主要分布在叶绿体内膜上,酶分布于类囊体膜上和叶绿体基质中。(　　)
3.恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体是光合作用的场所。(　　)
4.希尔的实验说明光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水。(　　)
√
×
×
×
考法练透 素养提升
考法一　叶绿体的结构
1.叶绿体结构模式图如图甲所示,图乙是从图甲中取出的部分结构放大图。下列叙述正确的是(　　)
甲
乙
A.图甲中生物膜面积的增大主要依靠内膜向内腔折叠成嵴
B.图乙来自甲中的③,上面只有色素分子而没有酶分子
C.④中CO2固定过程要消耗③上产生的ATP中的化学能
D.恩格尔曼实验证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
D
解析 由题意可知,图甲表示叶绿体结构模式图,叶绿体基粒由类囊体堆叠形成,增大了膜面积,A项错误;图乙中含有光合色素,来自图甲中的③基粒,上面除了色素分子外,也有与光合作用有关的酶,B项错误;图甲中,④为叶绿体基质,光合作用过程中CO2的固定在叶绿体基质中完成,该过程不需要消耗ATP中的能量,C项错误;恩格尔曼利用需氧细菌和水绵的叶绿体(螺旋带状分布)证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧,D项正确。
考法二　光合作用的探究历程中的实验分析
2.(2025·河北衡水模拟)下列关于光合作用过程探索实验的叙述,错误的是(　)
A.把载有水绵和需氧细菌的临时装片分成两组,一组放在黑暗的没有空气的小室里用极细光束照射,另一组放在光下,根据细菌分布情况可以得出叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧这一结论
B.在离体叶绿体的悬浮液(有H2O,没有CO2)中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可以释放出氧气
C.在光照下,叶绿体可合成ATP,且这一过程总是与水的光解相伴随
D.用放射性同位素18O分别标记H2O和CO2,一组给植物提供H2O和C18O2,另一组提供O和CO2,在相同且适宜条件下追踪O2的放射性可以研究氧气的
来源
D
解析 把载有水绵和需氧细菌的临时装片分成两组,一组放在黑暗的没有空气的小室里用极细光束照射,另一组放在光下,根据细菌分布情况可以得出叶绿体是光合作用的场所,叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧这一结论,A项正确;在离体叶绿体的悬浮液(有H2O,没有CO2)中加入铁盐或其他氧化剂,在光照下可以释放出氧气,该实验被后人称为希尔反应,B项正确;光照下叶绿体可合成ATP,这一过程总与水的光解相伴随,证明了叶绿体进行水的光解的同时有ATP的生成,C项正确;18O不是放射性元素,D项错误。
3.(2024·河南郑州调研)植物学家希尔发现:离体的叶绿体中加入“氢接受者”,如二氯酚靛酚(DCPIP),光照条件下依然能释放氧气,蓝色氧化状态的DCPIP接受氢后变成无色还原状态的DCPIPH2。为了验证该过程,研究者在密闭条件下进行如表实验。下列实验分析不合理的是(　　)
溶液种类 A试管 B试管 C试管 D试管
叶绿体悬浮液 1 mL — 1 mL —
DCPIP 0.5 mL 0.5 mL 0.5 mL 0.5 mL
0.5 mol/L蔗糖溶液 4 mL 5 mL 4 mL 5 mL
光照条件 光照 光照 黑暗 黑暗
上层液体颜色 无色 蓝色 蓝色 蓝色
注:“—”表示未加入。
A.实验结束后A试管中叶绿体有(CH2O)的产生
B.使用蔗糖溶液而不使用蒸馏水的原因是避免叶绿体吸水涨破
C.A试管与C试管的比较可以说明光照是氢产生的条件
D.设置B试管和D试管是为了说明DCPIP在光照和黑暗条件下自身不会变色
答案 A　
解析 据表分析可知,蓝色氧化状态的DCPIP接受氢后变成无色还原状态的DCPIPH2,无还原性的NADPH还原C3,实验结束后A试管中叶绿体无(CH2O)的产生,A项不合理;叶绿体是具膜细胞器,使用蔗糖溶液而不使用蒸馏水的原因是避免叶绿体吸水涨破,B项合理;A(有光照)试管与C(无光照)试管比较可以说明光照是氢产生的条件,C项合理;设置B试管和D试管是为了说明DCPIP在光照和黑暗条件下自身不会变色,D项合理。
聚焦表达 回扣落实
1.(基础识记类)绿叶中的色素有4种,它们可以归为两大类:　　　　(含量约占3/4)和　　 　　(含量约占1/4),其中前者包含　　　　　(蓝绿色)和　　　　　(黄绿色),后者包含　　　　　(橙黄色)和　　　　(黄色)。
2.(基础识记类)叶绿素a和叶绿素b主要吸收　　　　　　　　　　　,胡萝卜素和叶黄素主要吸收　　　　　。
3.(原因分析类)模拟鲁宾、卡门的实验时,能对同一实验中的CO2和H2O同时进行标记吗 　　　　　。原因是
　 　。
叶绿素
类胡萝卜素
叶绿素a　
叶绿素b
胡萝卜素
叶黄素
蓝紫光和红光　
蓝紫光
不能
若同时将CO2和H2O中的氧标记,则无法分辨氧气的来源
4.(实验探究类)某同学将从菠菜叶中分离到的叶绿体悬浮于缓冲液中,给该叶绿体悬浮液照光后有糖类产生。回答下列问题。
(1)将叶绿体的内膜和外膜破坏后,加入缓冲液形成悬浮液,发现黑暗条件下悬浮液中不能产生糖类,原因是 　。

悬浮液中具有类囊体膜、叶绿体基质以及与暗反应相关的酶,但黑暗条件下,光反应无法进行,暗反应没有光反应提供的ATP和NADPH,所以无法形成糖类
(2)叶片进行光合作用时,叶绿体中会产生淀粉。请设计实验证明叶绿体中有淀粉存在,简要写出实验思路和预期结果。
实验思路:将生长状况良好且相同的植物叶片均分为甲、乙两组,两组植物叶片应均进行饥饿处理(置于黑暗中一段时间消耗有机物),甲组叶片放置在有光环境中,乙组叶片放置在其他条件相同的黑暗环境中,一段时间后,用差速离心法提取出甲、乙两组的叶绿体,脱绿后制作成匀浆,分别加入碘液后观察。预期结果:甲组匀浆出现蓝色,有淀粉产生;乙组匀浆无蓝色出现,无淀粉产生。

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